三阶中心无振荡格式性能分析

三阶中心无振荡格式Cn3(Centered nonoscillatory scheme of third order)使用对称模板构造具有三阶精度的插值公式.利用单调区域与精确区域修正原始插值参数,该格式能够获得间断附近无振荡、光滑区域高精度的计算结果.通过一维和二维典型算例,将Cn3格式与三阶和五阶WENO格式(Weighted Essentially Non-Oscillatory schemes)进行比较,重点分析了3种格式的间断分辨率、计算稳定性和数值耗散性.分析可见,Cn3格式能够精确、稳定地捕捉激波和接触间断,同时对光滑流动区域的小尺度流动结构保持较低的耗散,值得进一步研究及推广应用.     

高超音速双锥绕流数值模拟的格式效应分析

通过模拟双锥外形高超音速绕流,对各种计算流体力学空间离散格式的性能进行分析.研究了Roe格式、van Leer格式、AUSM(Advection Up-stream Splitting Method)格式、AUSMDV格式、AUSM+格式、上风TVD(Total Variation Diminishing)格式等对双锥高超音速流场特征的模拟能力.结果表明:各空间格式激波分辨率都较高,但粘性分辨率相差很大.其特性与格式耗散性有关,耗散性越小,粘性分辨率越高;格式耗散性对热流极值影响显著,耗散性越小,热流极值越大,其位置越靠近前缘.      

适于可压缩多尺度流动的紧致型激波捕捉格式

针对可压缩多尺度流动数值模拟特点,研究一种五阶高分辨率紧致型激波捕捉格式——紧致重构加权基本无振荡(CRWENO)格式。该格式利用非线性权系数将低阶紧致格式加权组合以达到高阶精度。在光滑区域蜕化成具有高分辨率的五阶线性紧致格式,在间断附近则能保持计算稳定无振荡。对CRWENO格式、目前广泛使用的加权基本无振荡(WENO)格式及两格式对应的线性格式(即五阶线性迎风格式和五阶紧致格式)进行数值性能研究,评估非线性权系数对格式耗散及频谱特性的影响。使用一维、二维、三维典型算例进行数值试验,探讨线性/非线性、紧致/非紧致格式在可压缩多尺度流动模拟中的优势和不足。结果表明,CRWENO格式在强压缩性流场模拟中能够稳定地捕捉激波,其紧致特性则改善了非线性格式普遍存在的耗散过大、分辨率较差的问题,使其能够清晰捕捉多尺度流动结构。因此,该格式在可压缩多尺度流动模拟中具有较大优势。     

守恒律方程的导数人工压缩法

将高分辨率差分格式用于守恒律方程的导数方程,可以克服传统高分辨率格式在极值点精度退化的缺点,类似于Harten的人工压缩法,新方法称为导数人工压缩法.本方法既能提高间断的分辨率,又能提高极值点处的分辨率,是一种高分辨率低耗散低扩散格式.用单个守恒律方程带间断和多极值的初值问题和一维激波管问题进行了验证,比较了Harten-TVD,人工压缩,导数人工压缩方法的在间断和极值点的分辨率问题.     

高精度激波捕捉格式的性能分析

在数值模拟激波-湍流干扰问题时,为了精确模拟湍流脉动的小尺度结构,数值格式应尽量减小自身的数值耗散.但是为了稳定、无震荡地捕捉激波,数值格式又必须具有一定程度的数值耗散.基于上述这2种相互矛盾的要求,采用无黏泰勒格林涡、可压缩湍流等经典算例对目前广受好评的几种高精度格式进行了系统地对比.一系列的计算分析表明,当前工程中广泛应用的高精度格式虽然都能一定程度地满足上述2种要求,但与理想目标仍有较大的差距.     

低速流预处理Roe格式中的数值粘性

使用Roe格式计算低马赫数流动,需采用预处理技术.在预处理技术中,需要选择适合的预处理参数,但有时很难找到,因而得不到合理的计算结果.通过数值实验,发现使用预处理方法时,格式的数值粘性对低速流动的模拟有显著的影响.提出了在预处理Roe格式中加入可调参数,用以控制数值粘性对计算结果的影响.带有可调节数值粘性参数的预处理Roe格式的数值粘性更接近低速流动的真实耗散,反映了低速流动的真实物理现象.对方腔流动和圆柱绕流的低雷诺数定常流动所做的数值实验,得到了比较满意的结果,表明这一改进是有效的.对同一低雷诺数不同低马赫数的定常圆柱绕流所做的数值实验,均得到了满意的结果,表明了方法的适用性.     

无振荡、无自由参数格式在三维太阳风流动数值模拟中的应用

从快速、有效地进行空间天气数值预报的需要出发,针对1998年5月份行星际太阳风暴事件,采用全三维流体力学(HD)模型进行数值试验,考察了无振荡、无自由参数(NND)格式在三维太阳风流动数值模拟中的应用.计算中内边界的密度分布由观测K日冕数据来确定,由此得到的源表面密度分布具有和源表面电流片相似的结构.数值试验表明: 虽然该格式不需要加入人工粘性,但是具有很好的计算稳定性.在扰动计算时激波间断耗散小,在三维任何方向上间断所占的网格数比较少,没有数值色散现象.      

差分格式的优化组合

用偏微分方程组解实际的三维紊流流动问题时,如何选择各方程中对流项和扩散项的差分格式将对计算的稳定性、准确性与经济性影响很大.对一个实际的流动问题,计算机模拟验证了迎风差分、中心差分、混和格式、PLDS(Power Law Differencing Scheme)、QUICK(二次迎风插值)和OPTIMAL(Oscillation Preventing Technical algorithm based on the second-order Interpolation Method for Advection Linked convection)的各种组合对计算的稳定性、准确性与经济性的影响.对中心差分应用在雷诺时均方程中出现的数值解的振荡问题提出了在局部网格使用迎风差分的具体对策.对QUICK应用在κ,ε输运方程上出现的数值解的发散问题提出了QUICK和迎风差分格式交替使用的具体方法.      

Monotonicity-Preserving激波捕捉格式在湍流大尺度模拟中的评估

对高阶激波捕捉格式的性能进行了系统的测评,重点分析了Suresh和Huynh(1997)所提出的Monotonicity-Preserving格式的性能.结果表明Monotonicity-Preserving格式的性能显著优于原始WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory) 格式,和改进型WENO格式相当.对格式的分析进一步表明,迎风型的激波捕捉格式在湍流模拟方面的性能都不及高阶中心格式,其原因归结为激波捕捉格式所包含的线性和非线性耗散.因此,改进高阶激波捕捉格式的关键在于同时降低格式的线性耗散和非线性耗散,以提高格式对湍流脉动能量的保持和对小尺度脉动结构的捕捉能力.     

快速大时间步长熵条件格式的分辨率研究

提出了高分辨率快速大时间步长熵条件格式的构造方法.用激波管问题对一族熵条件格式进行研究.在精度、步长、限制器方面进行了详细的数值实验,研究了同样计算量下各种格式的表现品质.从理论上保证了大时间步长格式的无振荡性质,从具体的数值实验分析中确定了大时间步长格式的分辨率问题.      

Euler方程的分裂型通量分裂双时间步隐式方法

传统隐式方法有格式复杂、计算量大等缺点,在Euler方程的差分离散过程中,利用算子分裂思想,结合通量分裂法、双时间步法等隐式离散方法,构造了一种更简单的分裂型隐式计算方法.通过对典型空气动力学问题的计算,检验了该方法的有效性和可靠性,并对其性能做了具体讨论.该方法具有稳定性好、时间步长约束小等隐式格式的普遍优点,同时具有格式简单、程序易实现等优点;避免了传统隐式方法单步推进时的方程组常规求解及矩阵求逆过程,计算量小;比LU-SGS方法收敛速度快.      

展开式月球基地热防护结构方案研究

建设月球基地是人类探测、开发和殖民外太空的第一步,也是最重要的一步。设计了一种新型的展开式月球基地方案,由空间可展开桁架结构与柔性热防护层合薄膜组成。设计了可展开桁架结构的9组拓扑方案和层合薄膜的7组设计方案,进行结构设计方案和强度、刚度与稳态热分析,确定最优的设计方案。针对展开式月球基地的最优设计方案,分析了整体结构性能,包括静力分析、模态分析及3种工况下的稳态热分析。分析结果表明:所设计的最优方案具有较好的结构力学性能和热防护性能,为月球基地的方案选型、结构设计与热防护系统设计提供了技术支持。     

An innovative navigation scheme of powered descent phase for Mars pinpoint landing

Pinpoint landing (within 100 m from the target) is essential for future Mars exploration missions. This paper deals with one aspect of the pinpoint landing architecture—the navigation performance improvement during the powered descent phase, and proposes an innovative navigation scheme to obtain the vehicle complete and accurate states. On the basis of dead reckoning relying on the Inertial Measurement Unit, measurements of the Integrated Doppler Radar are adopted to correct the vehicle velocity and altitude. Distance between the vehicle and one Mars Orbiter as well as their line-of-sight relative velocity is measured by a radio sensor, and integrated in the filter to correct the vehicle horizontal position. The innovative navigation system is based on an Extend Kalman Filter. Two observation schemes are developed. One considers measurements of the Integrated Doppler Radar and radio range measurement. Another further considers radio velocity measurement. The performance of the innovative navigation scheme is greatly influenced by the position of the Mars Orbiter with respect to the target. Stochastic analyses are performed to obtain optimal locations of Mars Orbiter. Finally, the innovative navigation scheme performances are assessed through stochastic simulations. Its performance improvements are demonstrated by comparison with the Integrated Doppler Radar only navigation scheme.     

高超声速飞行器平稳滑翔弹道设计方法

针对已知攻角和倾侧角的高超声速飞行器平衡滑翔再入问题,提出了满足纵向加速度变化率最小的平稳滑翔弹道概念,并给出了平稳滑翔弹道设计方法.首先采用正则摄动的方法对高度动态微分方程进行求解,获得了精度较高的平稳滑翔高度、弹道倾角和纵向加速度解析解.然后对平稳滑翔弹道的动态特性进行了分析,结果表明该弹道具有自然稳定性和弱阻尼性.进一步给出了弹道振荡的自然频率和阻尼表达式,其中自然频率仅与速度相关,而阻尼则与速度和纵向升阻比相关.最后,通过比较高度偏差的比例反馈、微分反馈和比例+微分反馈3种方案,得出纯微分反馈是实现平稳滑翔的最佳方案,并给出了定阻尼微分反馈系数的表达式.仿真校验表明:该方案具有控制平滑、弹道振荡收敛速度快及鲁棒性好等特点.